CN100380493C - 用于直接流数字信号的坚韧水印 - Google Patents

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Abstract

一种嵌入到直接流(DSD)音频信号中的坚韧水印，它具有在不延伸到20kHz以下或100kHz以上的特定频率范围内的平坦的频率响应。因此，所述水印隐藏在DSD信号的噪声频谱内，使听众听不出来。由于所述噪声频谱包含有助于向DSD信号提供鲜明的瞬态和精确的脉冲响应的重要信息，所以，从DSD信号中去除水印就必然严重降低信号的音频质量。

Description

用于直接流数字信号的坚韧水印
技术领域
本发明一般涉及知识产权保护，更具体地说，涉及编码到直接流数字(DSD)信号中的坚韧数字水印。
背景技术
最初开发出激光唱盘(CD)时，脉冲编码调制(PCM)是对要录制到光盘上的数字音频信号进行编码的使用最多的技术。标准的CD格式具有16位分辨率，取样频率为44.1kHz。
随着专业录制技术的不断进展，标准CD格式的分辨率和取样速度已不再能满足保存在各种数字演播室制作的录制品的音频质量的要求。
图1A示出标准CD信号的典型音频频谱。如图所示，标准CD的信号频带在20kHz后急剧减弱。
超音频小型光盘是高分辨率音频CD格式，它利用直接流数字
Figure C0281724500041
，而不是PCM，来录制音频信号。DSD录制格式直接录制从∑-Δ模拟数字(A/D)变换器输出的1位信号，取样频率为2.8224MHz。在DSD中使用的∑-ΔA/D变换器包括噪声整形滤波器，以便有效地将噪声移出音频频带之外，即将噪声移出到20kHz以上，就听不见了。
DSD避免了可能因PCM中使用的提取过程和内插过程而导致的信号质量下降。DSD录制品具有改进的频率响应，所述频率响应可扩宽到100kHz。此外，当∑-ΔA/D变换器中包括第五阶(或更高阶)的噪声整形滤波器时，DSD频率响应具有120dB的动态范围。图1B输出DSD信号的音频频谱。
虽然人耳一般不能听出20kHz以上的清楚的音调，但较高的频率确实含有瞬态性质的音频信息(即，声音如何开始和停止)，这种信息由人的大脑感知，提供一种对音乐的更为“自然”的感觉。通过将这种信息保留在高频频带中(即在噪声频带中)，DSD技术提供一种更为精确的脉冲响应和清晰的瞬时特性。这是DSD录制品超过标准CD录制品的优越的音频质量的重要原因。
关于数字录制技术，和音频质量一起必需考虑的一个重要问题是保护录制的内容不被非法复制和销售。用于保护数字录制知识产权(IP)的一种机制就是编码水印。
水印包括嵌入在数字内容中的识别数据，它可规定所述内容的所有权和预期的接收者，并有助于对内容的使用(例如，复制和销售)实施限制。水印可用来识别数字内容的非法复制件，检测内容中的非法改变。
有些水印用来试图防止数字IP的非法复制和销售。例如，某些类型的CD记录装置可包括特殊的复制保护机制，它能检测要录制的内容中的水印。如果检测到的水印表明不允许复制或所述内容为非法获得，所述机制就阻止装置的录制操作。
或者，水印的目的可以是识别对内容的非法复制和销售，以便产权所有人从侵权方寻求合法的赔偿。
水印一般包括编码到数字内容中信号，它符合某些统计特性，这样就能以原来的形式从内容中提取出来。但是，加入这样一种信号常会导致数字录制的音频信号的声音质量下降。最好能提供一种水印，其存在不会导致音频录制的声音质量有任何可感知的下降。
更好的是提供一种坚韧的水印，即：不严重影响水印所嵌入的音频信号的质量，就很难去除或修改所述水印。相应地，水印必需设置在对感官的知觉来说重要的音频信号成分(例如频带)中。
发明内容
本发明提供一种用于以DSD格式录制的音频信号的坚韧水印，它不会导致音频质量的显着下降。
本发明的示范实施例针对一种坚韧水印，它这样嵌入在DSD音频信号中，使得所述水印在高于20kHz的特定频率范围内具有平坦的频谱。在低于20kHz的频带，所述水印的频率响应基本上为零。
在本发明的又一示范实施例中，水印的特定频率范围不超过100kHz以上。
在本发明的又一示范实施例中，用扩频制水印法将坚韧水印编码到DSD音频信号中。
在本发明的又一示范实施例中，坚韧水印的特定频率范围选择得较低，以便把水印设置在对感官的知觉来说更为重要的频带中，因而去除水印就会严重降低音频质量。
在本发明的又一示范实施例中，坚韧水印的特定频率范围选择得较高，使得水印的存在导致的音频信号的质量下降很小。
也就是说，本发明提出了一种方法，它包括：用扩频制水印形成工艺，将水印插入到直接流数字信号中以形成水印信号，所述插入的水印分布到所述水印信号的频率范围内，其中，所述频率范围不小于20kHz并不超过100KHz。
本发明还提出了一种方法，它包括：将水印插入到模拟信号中以形成具有水印的信号，所述插入的水印分布在所述具有水印的信号的频率范围内，其中，所述频率范围不小于20kHz并不超过100KHz；将所述具有水印的信号转换成直接流数字信号。
本发明还提出了一种记录装置，它包括：调制器，用于将输入信号转换成直接流数字信号；水印嵌入器，用于将水印嵌入到所述直接流数字信号中并输出具有水印的信号，使得所述水印分布在所述具有水印的信号的频率范围内，其中，所述频率范围不小于20kHz并不超过100KHz；以及记录器，用于将所述具有水印的信号记录在存储介质上。
在一个实施例中，所述水印嵌入器利用扩频制水印技术，所述水印嵌入器还包括：伪噪声发生器，用于产生伪噪声；调制器，用于利用所述伪噪声来调制所述水印，以便产生已调制水印信号；放大器，用于定标所述已调制水印信号；以及加法元件，用于组合所述直接流数字信号和所述定标后的已调制水印信号。
本发明还提出了一种记录装置，它包括：水印嵌入器，用于将水印嵌入到模拟信号中并输出具有水印的信号，使得所述水印分布在所述具有水印的信号的频率范围内，其中，所述频率范围不小于20kHz并不超过100KHz；调制器，用于将所述具有水印的信号转换成直接流数字信号；以及记录器，用于将所述直接流数字信号记录在存储介质上。
本发明的优点通过以下的详细说明即可更明确。但是，显然，这些详细说明和具体实例虽然代表了本发明的优选实施例，但仅是为了说明，因为对那些本专业的技术人员而言，在阅读所述详细说明后，在本发明的精神和范围之内作各种变动和修改是显而易见的。
附图说明
从以下的详细说明和附图就可对本发明有更充分的理解，这些说明和附图仅是为了说明，而不是对本发明作任何限制。
图1A示出标准CD信号的典型音频频谱。
图1B示出DSD信号的音频和噪声频谱。
图2A是按照示范实施例的DSD信号记录装置的方框图，其中在将音频信号编码成DSD信号之前，将模拟水印信号嵌入到模拟音频信号中。
图2B是按照示范实施例的DSD信号记录装置的方框图，其中将数字水印信号嵌入到DSD编码音频信号中。
图3是示范实施例的水印嵌入器的方框图，其中使用SSW技术将坚韧水印嵌入到音频信号中。
图4A示出坚韧水印的频谱，其中为较大的坚韧性而选择所述坚韧水印的频带。
图4B示出坚韧水印的频谱，其中为较小的声音质量降低而选择所述坚韧水印的频带。
图5示出按照示范实施例的∑-Δ调制器，其中将软水印插入到DSD信号中。
具体实施方式
本发明提供一种水印，它被编码到DSD音频信号的特定频带中，所述频带最好不扩展到20kHz以下或100kHz以上。由于人耳通常不能感知20kHz以上的谐波，故数字水印不会显著降低录制的声音质量。但是，个人企图通过对录制的20kHz以上的信号进行低通滤波来除去所述水印的任何努力，都会导致严重的质量下降，使得DSD录制的声音质量与标准CD录制相比并不更好。
图2A示出按照示范实施例的DSD信号记录装置100的方框图，其中在将音频信号编码成DSD信号之前，将模拟水印信号嵌入到模拟音频信号中。在图2A的记录装置中，将模拟音频信号和模拟水印信号输入到水印嵌入器20中。水印嵌入器20的输出连接到∑-Δ调制器40上。∑-Δ调制器40的输出发送到DSD信号记录装置50上。
图2A中DSD信号记录装置100的工作如下。水印嵌入器20将水印信号插入到特定频率范围的音频信号中。按照示范实施例，所述范围选择成：频率下限不延伸到低于大约20kHz，而频率上限不延伸到高于大约100kHz。但按照另一实施例，频率范围的下限可以设置到20kHz以下，以水印质量为代价来获得更为坚韧的水印。以下结合图3对示范水印嵌入器20作更详细的说明。
从水印嵌入器20输出的水印信号发送到∑-Δ调制器40，所述调制器将水印信号量化成1位DSD编码信号。∑-Δ调制器40利用负反馈回路累积DSD编码位流。累积的信号被发送到第五阶噪声整形滤波器。所述滤波器42的输出由量化器44量化成“1”或“0”。量化器44的1位输出通过单样值延迟单元46和数字-模拟信号变换器48反向循环。∑-Δ调制器的位流输出由DSD信号记录装置50录制到例如SACD盘上。
按照另一示范实施例，记录装置100可在插入水印前先将模拟音频信号编码成DSD信号。图2B示出根据此示范实施例的DSD信号记录装置的方框图。
图2B中，将模拟音频信号输入到∑-Δ调制器40中。由∑-Δ调制器40输出的DSD编码信号输入到水印嵌入器20中，水印嵌入器20的输出连接到DSD信号记录装置50上。在图2B的记录装置中，水印包括位组合，所述位组合被编码到DSD音频信号的特定频带中，所述特定频带基本上不延伸到20kHz以下或100kHz以上。
按照示范实施例，水印通过一种称为扩频制水印法(SSW)的过程被插入到DSD信号中。所述过程类似于扩频无线通信，其中窄带信号在大得多的带宽上传输，以致在任何单一频率上的能量就不可检测。SSW过程将水印信号扩展到数字内容的很宽频带上，其中所述频带对感官的知觉来说是重要的。
当把水印加到音频信号上时，SSW过程将水印扩展到影响信号的总声音质量的频率成分上。由于水印被隐藏在比实际需要的宽得多的频带上，所以水印在内容中采取比较弱的噪声的形式，对想要去除掉水印的个人来说这种弱噪声实际上是无法检测到的。所以，唯一能去除水印的途径就是滤除音频信号的重要频率成分，而这样就会导致声音质量的明显下降。于是，SSW过程的水印可以非常坚韧。
在扩频制水印法中，利用水印的给定频率范围内的子频带选择组将水印信号插入到音频信号中。利用称为跳频的方案，水印的子频带每秒突变许多次。在此方案中，可以利用所产生的伪噪声来调制所述水印信号，然后将其定标到较低的功率电平。
由于在每个时间点上水印子频带是伪随机地确定的，故它以弱噪声的形式出现在频域中。但是，水印验证过程知道水印嵌入其中的全部子频带，因此有可能将这些比较弱的信号组合成具有高的信噪比(SNR)的单一信号。检验其内容就可验证所述组合信号。
图3示出水印嵌入器20，它用SSW过程将坚韧水印嵌入到音频信号中。调制器24利用由伪噪声发生器22产生的伪噪声信号调制水印。按照本发明的示范实施例，伪噪声信号的产生要能将水印扩展到特定频率范围内，所述频率范围基本上不延伸到20kHz以下或100kHz以上。调制后的水印信号通过放大器26，在所述放大器中，水印信号被定标到适当的电平。然后利用加法元件28将所述水印信号与输入音频信号组合，得到具有水印的音频信号。
如果将图3的水印嵌入器20与图2A的记录装置结合使用，则输入的音频信号和水印信号包括模拟信号。或者，如果将图3的水印嵌入器20与图2B的记录装置结合使用，则输入的音频信号包括DSD编码信号而水印包括数字位组合。
应当指出，其它SSW方法，包括子频带分解制水印技术也可用来将水印插入DSD信号中。此外，本发明决不限于利用扩频制水印过程来把水印加到音频信号中。也可以使用其它方法来将水印编码到DSD音频信号的特定频率范围中，本专业的普通技术人员很易理解这一点。
按照本发明的示范实施例，用于把水印嵌入到DSD信号中的特定频率范围被选择得相当低。例如，所述频率范围可以设置在大约20和30kHz之间。图4A示出在这种频率范围的水印频谱。试图通过低通滤波去除所述水印会导致DSD信号的音频质量明显下降。这是因为低通滤波会在频率成分超过20kHz时将所有瞬时信息从音频信号中去除。而且，以截止频率20kHz对音频信号进行低通滤波还会导致阻断能被听众感知的谐波。
如前所述，如果通过低通滤波将全部超过20kHz的信号都从DSD录制品中去除，则所得信号的声音质量就不会比标准CD录制品更好。因此，不值得费功夫非法去除水印并进行SACD盘录制品的复制，因为所述复制品不能与SACD的质量标准相媲美。
虽然已针对频率范围在大约20和30kHz的数字水印对所述实施例作了说明，但是应当指出，所述范围仅仅是通用原理(即，具有较低给定频率范围的数字水印如果被去除就会导致DSD音频信号大得多的质量下降)的示例。
但是，为水印选择低的频率范围有一个缺点。具体地说，仅是这种水印在DSD信号中的存在就会引起声音质量的某些下降。在以上对SSW过程的讨论中，已指出水印在音频信号中取噪声的形式。即使其频率范围稍稍高于20kHz，这种噪声也会影响音频质量。
按照本发明的另一实施例，水印的频率范围选择在较高的频率范围，使得其存在不对DSD信号有负面影响。图4B示出频率范围大约在90和100kHz之间的数字水印实例。由于在接近100kHz的频率成分的瞬时信息不易被听众感知，故在此频率范围内插入的水印所引起的质量下降一点也不显著。
相应地，图4B的实例示出所述实施例的通用原理，即：在DSD信号的较高频率范围插入的水印对声音质量引起的下降较少。但是，利用高频率水印确实具有以下缺点，即，可以通过对DSD信号进行具有较高截止频率的低通滤波来去除水印，导致所述信号的较小的质量下降。按照本发明的又一实施例，可以把在上述实施例中所说明的坚韧水印嵌入到含有软水印的DSD音频信号中。
软水印的概念在美国专利号6,157,330中作了说明，所述专利的主题已作为参考文件包括在本文中。通过用水印模式的位来代替输出位流的所选位，就可将软水印插入到DSD信号中。
例如，可以用图5所示的∑-Δ调制器40将软水印插入到DSD信号中。所述∑-Δ调制器40包括位修改电路45，用于接收量化器44输出的位。量化器44的功能就是将第五阶噪声整形滤波器的输出量化成“1”和“0”。位修改电路45可以配置成例如每隔99位就用对应于软水印位组合的位来替代从量化器44输出的所选位。
或者，可以用连续倒置位之间的位周期数来表示软水印数据。这样，位修改电路45可以配置成将量化位流中的所选位倒置。
插入软水印仅导致量化噪声有1dB的增加，在DSD信号的120dB的动态范围内这是听不出的。虽然软水印不会明显降低音频质量，但几乎可用任何类型的信号处理很容易地将它们从DSD信号中去除。因此，软水印不被认为是坚韧水印。但这种水印仍然有用，因为在DSD录制品中如果没有软水印表示所述音频信号为复制品。
因此，可以把软水印与坚韧水印结合使用，嵌入在DSD信号中。可以用验证过程来确定软水印是否已从DSD内容中丢失，即内容是否已被复制。如果确实如此，可以用坚韧水印来识别内容的所有人或权利持有人，以便进行合法赔偿。
已针对嵌入在基本上不低于20kHz和基本上不超过100kHz的DSD信号的频率范围内的数字水印对上述实施例作了说明。但水印也可插入在低于20kHz和超过100kHz的频率范围内，并不背离本发明的精神和范围。例如，可以在如此短而少的时间间隔内将水印插入到远低于20kHz的音频信号的频率成分中，使得听众是听不到所述水印。
已参阅示范实施例对本发明作了说明。对于本专业的技术人员来说，显然，根据上述公开的内容可以对本发明作各种修改而不背离权利要求书的精神和范围。

Claims (6)

1.一种方法，它包括：
用扩频制水印形成工艺，将水印插入到直接流数字信号中以形成水印信号，所述插入的水印分布到所述水印信号的频率范围内，其中，所述频率范围不小于20kHz并不超过100KHz。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述插入步骤之前，通过用对应于软水印数据的位替代所述直接流数字信号的所选位来将软水印插入到所述直接流数字信号中。
3.一种方法，它包括：
将水印插入到模拟信号中以形成具有水印的信号，所述插入的水印分布在所述具有水印的信号的频率范围内，其中，所述频率范围不小于20kHz并不超过100KHz；
将所述具有水印的信号转换成直接流数字信号。
4.一种记录装置(100)，它包括：
调制器(40)，用于将输入信号转换成直接流数字信号；
水印嵌入器(20)，用于将水印嵌入到所述直接流数字信号中并输出具有水印的信号，使得所述水印分布在所述具有水印的信号的频率范围内，其中，所述频率范围不小于20kHz并不超过100KHz；以及
记录器(50)，用于将所述具有水印的信号记录在存储介质上。
5.如权利要求4所述的记录装置(100)，其特征在于：所述水印嵌入器(20)利用扩频制水印技术，所述水印嵌入器(20)还包括：
伪噪声发生器(22)，用于产生伪噪声；
调制器(24)，用于利用所述伪噪声来调制所述水印，以便产生已调制水印信号；
放大器(26)，用于定标所述已调制水印信号；以及
加法元件(28)，用于组合所述直接流数字信号和所述定标后的已调制水印信号。
6.一种记录装置(100)，它包括：
水印嵌入器(20)，用于将水印嵌入到模拟信号中并输出具有水印的信号，使得所述水印分布在所述具有水印的信号的频率范围内，其中，所述频率范围不小于20kHz并不超过100KHz；
调制器(40)，用于将所述具有水印的信号转换成直接流数字信号；以及
记录器(50)，用于将所述直接流数字信号记录在存储介质上。
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